基于因子綜合法評價重慶X區綠茶品質

郝麒麟，陳梅，賀燕，程鴻，韋錚，黃先智，丁曉雯*，張夏蘭，涂錫茂，楊鳳嬌

1(西南大學 食品科學學院，重慶, 400716)2(重慶市巴南區農產品質量安全中心，重慶, 401320) 3(西南大學科技處，重慶, 400716)

綠茶是采摘茶樹鮮葉經殺青、揉捻(做形)和干燥3個工序加工而成，因而幾乎保留了鮮葉中茶多酚、茶多糖、咖啡堿、兒茶素、氨基酸、維生素和礦質元素等大量天然成分。研究表明，綠茶具有顯著的降糖降脂、抗菌、抗疲勞、抗氧化等功能[1-3]。我國綠茶產區分布廣泛，品種多樣，在不同地域、生長環境下的綠茶產品各具特色，如西湖龍井、洞庭碧螺春、峨眉竹葉青等，重慶地區的主要綠茶品類有巴南銀針、永川秀芽、秀山毛尖等[4]。近年來，地方性特色茶葉產品廣受關注與研究。王海利等[5]評價龍井、碧螺春和安吉白茶理化性質和香氣成分，探究出了與品質相關的代表性成分；龔自明等[6]分析了湖北省具有代表性的名優綠茶感官、生化、氨基酸和礦質元素特點；王婷婷等[7]評價四川西、南和北3個地區綠茶的感官和滋味品質，解釋了不同產區綠茶品質的差異。可見，不同地區的茶葉品質存在一定程度差異，同時各具特色，形成以地區為代表的特色產品。目前，關于重慶地區綠茶的品質評價還未見報道，開展品質評價對反映重慶綠茶的特色、提高重慶綠茶的知名度和經濟效益具有重要參考價值。

主成分分析法(principal component analysis，PCA)的主要思想是降維，在損失較少信息的前提下把多個指標轉化為幾個綜合指標，目的是使降維后的綜合指標信息互不相關。聚類分析法(cluster analysis，CA)是根據數據的特征相關性聚合成不同類別，同一類數據在某種意義上彼此相似[8-9]。2種分析方法廣泛應用于水果品質評價與選種[10]、白酒香氣成分分析與質量品評[11]等食品相關研究方面，同時在茶葉品質比較[12]、茶葉品質分級[13]、茶葉產地辨別[14]等方面也有廣泛應用。本研究以重慶X區綠茶為研究對象，采用分光光度法、高效液相色譜法等測定茶多酚、茶氨酸等13個主要指標的含量，通過PCA與CA評價X區綠茶的品質，為X區綠茶產業發展提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

X區綠茶樣本41份，2019年3月隨機抽取于管理條件基本一致的X區茶園，編號為1～41，粉碎后備用。

香莢蘭素、茶氨酸、咖啡堿、沒食子酸、槲皮素，均購于生物源葉公司；乙腈、甲醇均為色譜純級，購于美國Sigma公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

752型紫外可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司；Fibertec-TM-M6型纖維儀，福斯中國有限公司；LC20A型高效液相色譜儀，日本島津公司。

1.3 實驗方法

水分、灰分、水浸出物、粗纖維含量分別參照國標[15-18]進行測定；果膠、葉綠素：采用分光光度法測定[19-20]；花青素：采用pH示差法測定[21]；總糖：采用苯酚-硫酸法測定[22]；總黃酮：采用AlNO3-NaOH顯色法測定[23]；茶多酚：采用Folin-Ciocalteu比色法測定[24]；兒茶素：采用香莢蘭素比色法測定[25]。

咖啡堿：采用高效液相色譜法測定[26]。測定條件為：色譜柱：C18柱，流動相：70%超純水-30%甲醇；流速：1.0 mL/min；柱溫：40 ℃；進樣量：10 μL；檢測波長：280 nm。

茶氨酸：采用高效液相色譜法測定[27]。測定條件為：色譜柱：SB-Aq，Agilent，250 mm×4.6 mm，5 μm；流動相：100%超純水-100%乙腈；流速：1.0 mL/min；柱溫：35 ℃；進樣量：20 μL；檢測波長：210 nm；梯度洗脫條件：0～12 min，100%A；12～22 min，20%A、80%B；22～40 min，100%A。

1.4 數據處理

每項指標均重復測定3次以上，結果用X±SD表示，采用Excel 2016和SPSS 21.0軟件對測定結果進行統計分析和差異顯著性分析。采用PCA與CA結合評價X區綠茶品質。

2 結果與分析

2.1 X區綠茶評價指標總體狀況

根據GB/T 14456.1—2017綠茶基本要求[28]測定了X區炒青綠茶的水分、灰分等13個指標，水分、灰分、水浸出物、粗纖維、茶多酚、兒茶素是GB/T 14456.1—2017炒青綠茶基本要求的基本評價指標，多糖、總黃酮是綠茶中基本的功能成分，茶氨酸與咖啡堿是綠茶中重要的香氣和滋味物質[1-3]，這13個評價指標包含了滋味、口感、功能性、礦物質含量等諸多因素，基本能反映X區綠茶的總體品質。X區綠茶各評價指標的總體狀況如表1所示。

由表1可知，41份X區的綠茶樣本水分含量在(6.28±0.05)%～(9.03±0.12)%，根據“GB/T 14456.1—2017炒青綠茶基本要求”的規定，水分含量應<7.0%。在測定的41個茶葉樣本中，只有5個樣本達到該要求。41份X區的綠茶樣本的灰分、水浸出物、粗纖維含量分別是(5.09±0.02)%～(7.06±0.05)%、(41.88±0.82)%～(49.06±0.16)%、(9.00±0.77)%～(15.87±0.42)%，根據GB/T 14456.1—2017炒青綠茶基本要求的規定，灰分含量<7.5%、水浸出物含量>34%、粗纖維含量<16%，得到X區41份綠茶樣本的灰分、水浸出物、粗纖維均達標，達標率為100%。41份X區的綠茶樣本的茶多酚含量(9.26±0.17)%～(22.20±0.34)%，兒茶素含量(5.15±0.08)%～(11.44±0.08)%，根據GB/T 14456.1—2017炒青綠茶基本要求的規定，茶多酚含量>11.0%，兒茶素含量>7.0%，可得41份X區綠茶樣本的茶多酚、兒茶素達標率分別為60.98%和41.46%；果膠含量(1.38±0.02)%～(3.16±0.04)%，花青素含量(77.38±3.37)%～(222.59±5.74) mg/kg，與丁華等[29]測得湖北綠茶中花青素含量相當；葉綠素含量(0.34±0.02)%～(2.51±0.01) mg/g，變異系數高達59.17%，表明樣本間葉綠素含量差異明顯；總糖含量(9.39±0.04)%～(13.52±0.18)%，與孫偉等[30]測得信陽綠茶中多糖含量相當；總黃酮含量(0.80±0.04)%～(1.84±0.03)%，與趙麗平[31]用乙醇浸提法測得信陽綠茶黃酮含量相當。X區綠茶茶氨酸含量(0.69±0.07)%～(1.97±0.03)%，咖啡堿含量(3.39±0.11)%～(4.81±0.07)%，與陳小強等[32]測得以西湖龍井、祁門紅茶和普洱茶為代表的三類茶中的茶氨酸與咖啡堿含量相當。

表1 X區綠茶特征性成分評價指標的描述性統計(n=41)Table 1 Descriptive statistics of characteristic component evaluation indexes of green tea in X district

2.2 PCA法分析X區綠茶各評價指標

由于X區綠茶各評價指標之間存在量綱和數量級差異，為避免彼此影響，參照KAVDIR等[33]、傅隆生等[34]的方法，對所測定41份X區的綠茶樣本的原始數據進行標準化處理，使得各指標的評價值處于相同數量級，再進行后續的統計分析。對X區41個綠茶樣本的13個指標進行主成分分析，結果如表2、表3所示。

表2 X區綠茶評價指標主成分特征值與方差貢獻率Table 2 Principal component eigenvalue and cumulative variance rate of green tea in X district

表3 主成分分析旋轉成分矩陣Table 3 Rotated component matrix of principal component analysis

參考Kaiser標準，由表2可知，依據提取因子的特征值>1提取出5個主成分，它們的方差貢獻率依次為30.411%、17.917%、10.568%、8.839%和7.966%，累計方差貢獻率達75.701%，把X區綠茶原來的13個評價指標降維綜合為5個相對獨立的評價因子，達到了降維的目的[9]。

將與主成分之間相關系數的絕對值>0.5的指標組合成綜合性指標[10]，由表3可知，PC1主要綜合了總黃酮、兒茶素、花青素、果膠、茶多酚和總糖6個指標，累計方差貢獻率30.411%，它們與PC1的相關系數分別是0.758、0.753、0.648、0.586、0.532和0.519，各指標都與PC1都成正相關；總黃酮、兒茶素、花青素、茶多酚和總糖具有抗氧化、抗菌、抗腫瘤作用和降糖降脂生理功能[1-3]，PC1值越高，功能作用越強[35]。PC2綜合了葉綠素和灰分兩個指標，貢獻率為17.917%，它們與PC2的相關系數分別是0.898、0.859，這2個指標都與PC2成正相關。綠茶的色澤主要與葉綠素等多種色素類物質的組成、含量、比例等因素有關[36]；綠茶中的灰分代表茶葉中無機物與礦質元素的含量，大部分為營養元素。PC2值越大，表明綠茶色澤越好，礦質元素含量越高[37]。PC3綜合了水分和水浸出物2個指標，方差貢獻率為10.568%，它們與PC3的相關系數分別是0.883、0.863，與PC3成正相關。水分影響茶葉在貯藏過程中色澤、滋味的變化，含量越高陳化劣變速度越快，在茶葉生產加工貯藏過程中應嚴格控制[38]；茶葉水浸出物主要是茶葉中能溶于熱水的可溶性物質，包括糖類、蛋白質、氨基酸、咖啡堿、多酚類等。PC3值越高，茶葉水浸出物含量越高，茶湯濃度就越高，越耐泡，茶湯的口感更醇厚[34]。PC4綜合茶氨酸與粗纖維2個指標，方差貢獻率為8.839%，其中茶氨酸與PC4成正相關，與PC4的相關系數是0.792，粗纖維與PC4成負相關，與PC4的相關系數是-0.787。茶氨酸是茶葉特有的游離氨基酸，主要影響茶葉的香氣和滋味；粗纖維含量與原料茶葉的嫩度息息相關，PC4值越高，茶氨酸含量越高，粗纖維含量越低，說明茶湯滋味越鮮爽，綠茶越嫩[39]。PC5只代表咖啡堿這一個指標，方差貢獻率為7.966%，它與PC5的相關系數是0.920。咖啡堿是茶葉重要的滋味物質，具有興奮神經中樞、刺激腸胃助消化、抵抗酒精、煙堿、嗎啡等作用，PC5值越高，綠茶中咖啡堿含量越高，茶湯鮮味越滋爽，功能作用越大[29]。

X區綠茶評價指標成分得分系數矩陣如表4所示，根據各評價指標的得分矩陣，建立各成分因子得分方程如下：

Z1=0.078X1+0.057X2+0.107X3+0.095X4+0.163X5+0.273X6+0.185X7+0.165X8+0.323X9-0.008X10+0.16X11+0.341X12-0.022X13；

Z2=-0.033X1+0.402X2-0.161X3+0.001X4-0.120X5-0.005X6+0.488X7-0.100X8+0.095X9-0.159X10-0.205X11+0.147X12-0.087X13；

Z3=0.515X1-0.029X2+0.505X3+0.083X4-0.128X5+0.163X6-0.159X7-0.064X8-0.048X9-0.018X10+0.057X11+0.078X12+0.035X13；

Z4=-0.230X1-0.122X2+0.150X3-0.539X4-0.002X5+0.054X6-0.050X7-0.068X8-0.150X9+0.588X10+0.077X11-0.011X12+0.048X13；

Z5=-0.024X1+0.070X3-0.001X4-0.036X5-0.257X6-0.097X7+0.085X8+0.385X9+0.018X10-0.055X11-0.057X12+0.791X13；

以各成分的方差貢獻率為權數，建立X區綠茶品質綜合評價模型：

C=30.411%Z1+17.917%Z2+10.568%Z3+8.839%Z4+7.966%Z5

表4 X區綠茶成分得分系數矩陣Table 4 Component score matrix of green tea in X district

將評價指標標準化處理后的數據帶入品質評價模型方程，分數越高表示樣本的綜合品質越好[40]。由表5可知，綜合得分前10的樣本編號依次是：30、31、28、32、12、11、1、24、23、13。

表5 X區綠茶樣本排名前十得分情況

2.3 CA法分析X區綠茶各評價指標

采用系統聚類-組平均法、Euclidean距離基于X區綠茶評價指標綜合得分進行CA分析，分類結果如圖1所示。

圖1 X區綠茶聚類分析圖Fig.1 Cluster analysis of green tea in X district from different habitats

如圖1所示，根據分類的相似度及合理性[31,41]，當距離為5時，41個樣本分為4類，第一類2個樣本(樣本編號1和2)，第二類15個，第三類21個，第四類3個(樣本編號28、31和30)。X區綠茶各分類評價指標均值如表6所示。

表6 X區綠茶4類品質評價Table 6 Quality evaluation of green tea in X district in 4 types

注：同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)

由表6可知，不同分類的X區綠茶評價指標間存在一定差異。第一類果膠、花青素、總糖和茶多酚含量顯著高于其他類(P<0.05)，咖啡堿含量顯著低于其他類(P<0.05)；第二類茶氨酸含量顯著低于其他類(P<0.05)；第三類水分含量顯著高于其他類(P<0.05)，果膠、總糖、總黃酮和兒茶素含量顯著低于其他類(P<0.05)；第四類灰分和葉綠素含量顯著高于其他類，總黃酮、茶氨酸和兒茶素含量顯著高于第二、三類，粗纖維含量顯著低于其他類(P<0.05)。X區綠茶4種不同分類各具特點，第一類可選出總糖、茶多酚和花青素含量高的綠茶資源，第二類可選出茶多酚、總糖含量較高的綠茶資源，第三類可選出水浸出物、咖啡堿含量較高的綠茶資源，第四類可選出灰分、水浸出物、總黃酮、茶氨酸、兒茶素、咖啡堿和葉綠素含量高的綠茶資源。同時，第四類的綠茶樣本與PCA綜合得分前三的一致。

3 結論

在不同地域、品種、生長環境等條件下，綠茶的特征性成分含量會存在著一些差異，但因獨特的口感、清香、滋味等特點而各具特色[42-43]。在本研究中，X區綠茶樣本的特征性成分含量存在差異，根據GB/T 14456.1—2017炒青綠茶基本要求的規定，X區綠茶樣本的茶多酚、兒茶素達標率分別為60.98%和41.46%，可通過改良茶樹品種、改進加工方式等措施提高X地區綠茶的茶多酚和兒茶素含量。葉綠素的變異系數最大，可能與綠茶品種、制作工藝等相關；果膠、花青素、總黃酮、茶氨酸、兒茶素的變異系數也較大，可能受品種、加工方式等因素影響。

通過PCA，將評價X區綠茶品質的13個指標降維成5個綜合性指標，通過PCA說明評價X區綠茶品質主要集中在滋味、口感、功能性作用、礦物質含量和色澤方面。通過主成分得分系數矩陣建立成分因子得分方程，得到X區綠茶樣本得分和排序，得分排名前三的X區綠茶樣本編號依次是30、31和28號。

CA按照樣本間營養性狀、品質特點的相似程度進行聚合，可對綠茶的品質特點提供參考。將X區綠茶41個樣本分為4類，結合PCA，X區第四類綠茶品質最好，樣本編號是30、31和28號，與PCA成分因子得分方程選出樣本得分排名前三的結果一致，第一類綠茶(樣本1和2號)品質僅次于第四類，其他類綠茶品質中等。

綜合分析結果表明，X區綠茶的總體品質較好。為了進一步提高X區綠茶總體質量，應加強對綠茶資源開發以及對綠茶加工技術的深度研發，提高X區綠茶品質，益于該區綠茶的換代升級，提高茶農與茶企的收益。